施氮量對甘蔗葉綠體超微結構和光合速率的影響

摘要：【目的】研究施氮量對甘蔗葉片葉綠體超微結構和光合速率的影響，明確氮素影響甘蔗光合作用的細胞學機理，為甘蔗合理施肥提供科學依據。【方法】以甘蔗品種GT11、ROC22和GXB9為試驗材料，在溫室內進行桶栽試驗，設低氮、中氮和高氮3個施氮水平，即分別施用0、150和300 kg/ha尿素，于伸長期取葉片樣品分析葉綠素相對含量（SPAD）、葉面積、比葉重和葉綠體超微結構，并測定光合速率。【結果】3個甘蔗品種葉片的SPAD和葉面積均隨施氮水平的增加而增加。GT11和ROC22的比葉重隨施氮量的增加顯著降低（P<0.05，下同），GXB9的比葉重在中氮水平最低。GT11在高氮水平下葉綠體超微結構正常；ROC22在中氮水平下葉綠體數量最多，但基粒片層數量顯著少于高氮水平；GXB9在中氮水平下葉綠體數量最多，基粒片層與高氮水平時無明顯差異。GT11和ROC22的凈光合速率隨施氮水平的增加而增加，GXB9凈光合速率在中氮水平最高。【結論】甘蔗光合速率與葉綠體數量、葉綠體超微結構及基粒片層數量密切相關，且均受甘蔗品種和施氮量的共同影響。

關鍵詞： 甘蔗；施氮量；葉綠體超微結構；光合速率

中圖分類號： S566.101 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1190-06

0 引言

【研究意義】氮是作物生長的主要營養元素，是作物體內核酸、蛋白質、磷脂和葉綠素等物質的重要組成部分（孫羲，1997）。甘蔗是我國最重要的糖料作物，在其生長期間，各器官的氮素積累以葉片最多（蔣媛，2016），其中約80%的總葉片氮素集中在葉綠體中，這部分氮素主要是光合作用蛋白的組成部分，約70%的葉綠體氮素位于基質中，其余部分在類囊體膜上（Giles，2005）。葉綠體是植物及光合自養生物特有的細胞器，由葉綠體膜、類囊體和基質3部分組成。由類囊體垛疊成的基粒片層能夠增加植物光合作用的反應面積，有利于植物將更多的光能轉化為化學能，加快物質的同化速度，即植物葉片能夠通過增加光合作用的反應面積制造更多有機物，為提高植物光合速率奠定結構基礎和物質基礎（潘瑞熾，2008）。因此，研究不同施氮量對甘蔗葉片葉綠體超微結構和光合速率的影響，對指導甘蔗合理施肥具有重要意義。【前人研究進展】Bondada和Syvertsen（2003）研究發現，低氮處理的柑橘葉片凈光合速率低，單個葉綠體中淀粉粒大，質體小球數量多。郭衛東等（2009）研究發現，佛手葉片葉綠體在氮素不足時，表現為基質區域膨脹，基粒片層排列紊亂。劉林等（2010）研究發現質體小球的增多與葉綠體功能衰退相關。劉艷（2011）研究發現，玉米生長后期氮素不足會導致葉綠體膨脹變形、結構異常，基粒片層開始膨大，雙層膜結構逐漸解體，葉綠體在結構上開始表現出衰老跡象。任麗花等（2011）研究發現，氮不足或過量均會破壞甘薯葉片葉綠體超微結構，主要表現為葉綠體膨脹變形、雙層膜模糊、基粒類囊體排列不規則等現象。【本研究切入點】目前關于施氮量對不同甘蔗品種葉綠體超微結構和光合速率影響的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】探討不同施氮量對不同甘蔗品種葉片葉綠素相對含量（SPAD）、葉面積、比葉重、葉綠體超微結構和光合速率的影響，為甘蔗生產中合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試的3個甘蔗品種分別為桂糖11號（GT11）、新臺糖22號（ROC22）及從巴西引進后系統選育而成的氮高效品種桂選B9（GXB9）。供試肥料為尿素（含N 46%）。所用試驗桶規格：桶口直徑36.3 cm、內高30.0 cm。供試土壤為赤紅壤，主要理化性狀：pH 7.32，有機質4.23 g/kg，全氮0.27 g/kg，全磷0.33 g/kg，全鉀7.85 g/kg，水解性氮21.55 g/kg，有效磷8.4 mg/kg，速效鉀96.0 mg/kg。

1. 2 試驗方法

試驗于2016年在廣西大學農學院甘蔗研究所玻璃溫室內進行。采用桶栽試驗，3個甘蔗品種均設低氮、中氮和高氮3個施氮水平，即分別施用0、150和300 kg/ha尿素，共9個處理，每處理9桶，共81桶，采用完全隨機區組排列。3月3日進行甘蔗沙培育苗，4月20日選取長勢健康一致的沙培苗進行移栽，每桶移栽兩株。以氮肥作追肥，低氮、中氮和高氮3個施氮水平的施肥量分別為0、1.55和3.10 g/桶。

1. 3 測定指標及方法

1. 3. 1 農藝性狀測定 于甘蔗伸長期（9月15日）每處理隨機選取9株，分別測定其+1葉（最高可見肥厚帶）的SPAD、葉面積和比葉重。葉片SPAD使用柯尼卡美能達公司生產的SPAD-520型號葉綠素含量測定儀測定。葉面積使用美國CID公司生產的CI-203激光葉面積儀測定。比葉重（g/m2）=葉片干重/葉面積。

1. 3. 2 葉綠體超微結構測定 于甘蔗伸長期（9月3日）每處理選取有代表性蔗株3株，取其+1葉，在葉中部處取樣，避開主脈，在中脈至葉緣1/2處取0.5 cm×1.0 cm大小葉片，然后快速用刀片切成1 mm×3 mm的小塊，立即將切好的小塊葉片投入2.5%戊二醛固定液固定過夜，0.1 mol/L磷酸緩沖液沖洗3次，每次15 min，1%鋨酸固定1～2 h，乙醇與丙酮逐級脫水，丙酮與包埋劑逐級浸透，環氧樹脂618包埋聚合，Leica UC7超薄切片機橫切葉片，醋酸雙氧鈾與檸檬酸鉛雙重染色，日立H-7650型透射電子顯微鏡觀察、照相。

1. 3. 3 光合速率測定 于伸長期每處理選取代表性蔗株6株，用LCPro-SD便攜式光合儀測定甘蔗+1葉的凈光合速率。儀器設置參數如下：氣體流速（u）200 μmol/s；人工光源光照強度（Qleaf）1504 μmol/m2·s；葉室溫度未進行控制。

1. 4 統計分析

試驗數據采用Excel 2010和SPSS 18.0進行繪圖和統計分析，采用Duncan’s對各處理進行多重比較。

2 結果與分析

2. 1 不同施氮量對3個甘蔗品種葉片SPAD、葉面積和比葉重的影響

2. 1. 1 不同施氮量對葉片SPAD的影響 由圖1可知，在伸長期，3個甘蔗品種的SPAD均隨施氮量的增加而增加。其中，GT11和GXB9在中氮和高氮水平下的SPAD差異不顯著（P>0.05，下同）。低氮水平下，GXB9和ROC22的葉片SPAD顯著高于GT11（P<0.05，下同）；高氮水平下，ROC22的葉片SPAD顯著高于GT11和GXB9，其原因可能與GT11的低生物固氮能力和ROC22的耐高氮能力有關。

2. 1. 2 不同施氮量對葉面積的影響 由圖2可知，在伸長期，3個甘蔗品種的葉面積均隨施氮量的增加而顯著增加。在同一施氮水平下，GXB9的葉面積顯著高于GT11和ROC22，GT11和ROC22的葉面積間無顯著差異。可見，增施氮肥有利于甘蔗葉片的生長和葉面積的擴大，但不同品種間存在明顯差異。

2. 1. 3 不同施氮量對比葉重的影響 比葉重是衡量葉片光合作用性能的參數，將葉片單位干重水平和單位葉面積水平的指標聯系在一起，表示葉片的厚薄。由圖3可知，GT11和ROC22的比葉重均隨施氮量的增加顯著降低；GXB9的比葉重則表現為高氮>低氮>中氮，且各處理間均差異顯著。低氮水平下，ROC22的比葉重顯著高于GXB9，但與GT11無顯著差異；中氮水平下，3個品種間無顯著差異；高氮水平下，GXB9的比葉重顯著高于GT11和ROC22，可能是GXB9在高氮水平下葉片增厚所致。可見，不同氮素水平對不同甘蔗品種葉片的厚薄有明顯影響，可能與不同品種對氮素水平變化的敏感性有關。

2. 2 不同施氮量對3個甘蔗品種葉綠體超微結構的影響

由圖4可看出，GT11在低氮水平下葉綠體基質片層較少且結構紊亂（圖4-A1），在中氮水平下葉綠體基質片層疏松，基粒片層較低氮水平時多（圖4-A2），在高氮水平下葉綠體結構正常，基粒和基質片層結構良好，且基粒片層較多（圖4-A3）。由圖4-B1、圖4-B2和圖4-B3可看出，ROC22的葉綠體結構隨施氮量的增加由長橢圓形逐漸膨脹，其中，低氮水平下基粒片層明顯少于中氮和高氮水平；中氮水平下基粒和基質片層結構良好，與葉綠體長軸方向平行，排列規則有序。由圖4-C1、圖4-C2和圖4-C3可看出，GXB9在低氮和中氮水平下葉綠體結構正常，基粒和基質片層結構良好，與葉綠體長軸方向平行；高氮水平下，形狀不規則，葉綠體結構膨脹，基質片層疏松，中間有大量的空隙。

由表1可知，GT11單個細胞含有的葉綠體數量隨施氮量的增加而增加，中氮和高氮水平間無顯著差異，但均顯著高于低氮水平。ROC22和GXB9葉綠體數量均在中氮水平下最多，且顯著高于低氮水平和高氮水平。3個甘蔗品種單個葉綠體中基粒數量均隨施氮量的增加而增加。3個甘蔗品種單個葉綠體中的質體小球數量均以中氮水平最少，其中GT11和GXB9在3個施氮水平下無顯著差異。

2. 3 不同施氮量對3個甘蔗品種葉片凈光合速率的影響

由圖5可知，在伸長期，GT11的凈光合速率在中氮和高氮水平無顯著差異，但均顯著高于低氮水平；ROC22的凈光合速率在高氮水平顯著高于中氮和低氮水平，中氮和低氮水平間無顯著差異；GXB9的凈光合速率在中氮水平顯著高于低氮和高氮水平。低氮水平下，GXB9的凈光合速率高于GT11和ROC22，但三者間無顯著差異；中氮水平下，GXB9的凈光合速率顯著高于GT11和ROC22，GT11的凈光合速率顯著高于ROC22；高氮水平下，3個品種間的凈光合速率均無顯著差異。

3 討論

葉片是植物進行光合作用最主要的器官。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收及光能轉化中起核心作用。李京濤等（2007）研究發現，施用氮肥能顯著提高小麥的葉綠素含量和葉面積系數。葉綠素含量與光合作用的強弱存在直接關系，其中葉綠素含量與光合速率通常呈正相關（邵璽文等，2009）。本研究結果表明，不同施氮水平對3個甘蔗品種的葉綠素含量和葉面積的影響一致，均隨施氮量的增加而增加；對光合速率的影響表現為GT11和ROC22隨施氮量的增加而增加，但GXB9在中氮水平的光合速率最高，且顯著高于GT11和ROC22，這一現象可能與3個甘蔗品種的本身生物固氮能力有關。本課題組多年的研究結果已證實，相對于GT11和ROC22，GXB9是具有高生物固氮能力的氮高效甘蔗品種，要求的氮素水平相對較低（藍立斌等，2010；張艷梅，2015；蔣媛，2016；吳朝興，2016）。本研究中，GXB9在高氮水平下的比葉重顯著高于其他施氮水平及其余兩個品種。李海波等（2003）研究表明，高氮處理的水稻葉片比葉重低于低氮處理，可能是由于氮肥施用量多，促進葉片伸長變寬，葉片變薄。本研究中，GT11和ROC22也有相似表現，而GXB9的比葉重在高氮水平下有所提高，說明其葉片結構比較穩定，不易因增施氮肥而變薄。

植物體的形態結構與生理功能統一，光合速率的改變必然與光合器官的解剖學特征緊密相關（Zhang et al.，2009）。寧克莉等（2010）認為類囊體結構的完整性和有序性對于葉綠體在光合作用中正常發揮作用非常必要。本研究結果表明，GT11氮素不足時葉綠體數目少且結構的有序性相對較差，基粒片層少，排列不規則，質體小球數量多，光合速率低；ROC22在低氮水平下基粒片層也較少；而GXB9在低氮水平下結構良好，光合速率高于同等條件下的GT11和ROC22，可能與GXB9具有高固氮能力和氮高效利用能力及對低氮有較強的適應調節能力有關（張艷梅等，2015）。當然，本研究結果也表明，不施氮肥處理下3個甘蔗品種的光合速率均較低，生長嚴重受抑制，莖徑明顯較小，說明種植任何甘蔗品種均要適當施用氮肥；高氮水平下，GT11結構最完整，葉綠素數量和基粒片層數量最多，其光合速率也最高；ROC22雖然在中氮水平下葉綠體數量最多，但每個葉綠體中的基粒片層顯著低于高氮水平，其光合速率在高氮水平下最高，屬耐高氮品種。GXB9在中氮水平下葉綠體結構比高氮水平好，葉綠體數量顯著高于高氮水平；基粒片層含量與高氮水平下無顯著差異，光合速率也顯著于高氮水平。可見，光合速率受葉綠體結構、葉綠體數量及基粒片層數量的共同影響。

4 結論

甘蔗光合速率與葉綠體數量、葉綠體超微結構及基粒片層數量密切相關，且均受甘蔗品種和施氮量的共同影響。

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（責任編輯 鄧慧靈）